煤矿井下无线传输衰减分析测试与最佳工作频段研究

5G,UWB,ZigBee,WiFi6等矿井移动通信、人员及车辆定位、无线传输等技术在煤矿井下应用,促进了煤矿安全生产和煤矿智能化建设。然而受电气防爆的限制,煤矿井下无线发射功率不大于6 W,制约着矿井无线传输距离,增加了基站用量和系统成本,不便于系统使用和维护。在无线发射功率受电气防爆限制的条件下,选择传输衰减较小的无线工作频段,可有效提高无线传输距离,减小基站用量和系统成本。为满足矿井无线传输工作频段选择与优化的需求,在国家能源集团国神公司三道沟煤矿的辅助运输大巷和综采工作面分别进行了700 MHz～6 GHz频段的无线传输测试,并对测试结果进行了分析,提出了矿井无线传输优选频段：(1)辅助运输大巷无线传输的最佳工作频段为700～910 MHz。(2)综采工作面无线传输的最佳工作频段为700～1 710 MHz。(3)辅助运输大巷无线传输衰减比综采工作面无线传输衰减小,且随着频率增大,辅助运输大巷与综采工作面无线传输衰减的差值变小。(4)矿井无线传输的最佳工作频段为700～1 710 MHz。     

天线增益越高越好

常规论调 天线增益信号与信号覆盖范围成正比,路由器天线增益越高,信号覆盖范围就越大,因此路由器天线增益越高越好。技术事实影响无线网络信号强度的主要因素是路由器发射功率、天线接收灵敏度及天线增益,通常增强信号的方法就是提高发射功率及加强天线增益。发射功率越大,无线产品之间传输的距离也就越远,覆盖范围就越广,穿透能力就越强。     

基于漏泄电缆的井下CDMA无线覆盖技术

针对采用天线作为CDMA无线通信系统覆盖设备时存在信号绕射及穿透能力较差,在弯曲度及高低起伏大的巷道无法保证无线信号的覆盖距离及信号质量,无法随意增大矿用CDMA基站发射功率来满足无线覆盖要求的问题,提出了一种利用漏泄电缆进行井下CDMA无线信号覆盖的解决方案。该方案中,井下CDMA基站输出的射频信号通过二功分器连接到漏泄电缆,可实现巷道的无线信号覆盖。实际应用表明,采用该方案信号覆盖稳定,通信效果良好。     

智慧矿山与5G和WiFi6

宽带无线通信是智慧矿山建设的基础和关键。提出了矿井宽带无线通信特殊要求:需无线全覆盖煤矿井下长达10余千米的巷道;无线发射必须本质安全防爆;无线工作频段不宜过高;无线传输宜具有一定的绕射能力;抗干扰能力强;移动性要求不高等。研究了矿用5G和WiFi6,指出5G和WiFi6均可用于智慧矿山宽带无线通信;矿用5G具有传输速率高、传输时延小、通话质量高等优点,但系统复杂、成本高;矿用WiFi6具有传输速率高、系统简单、成本低等优点,但传输时延大、通话质量低。     

煤矿井下无线传输分析方法

目前,矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统设计和规划主要靠经验和现场测试,存在工作量大、通信基站和定位分站布置及其天线设置难以优化等问题。为促进煤矿井下无线传输分析方法在矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统设计和规划,以及通信基站和定位分站布置及其天线设置中的应用,分析了不同煤矿井下无线传输分析方法适用范围和优缺点：(1)抛物方程法具有算法简单、所需计算内存资源量较小等优点,但不适用于分析巷道起伏、支护、纵向导体和横向导体等因素对矿井无线传输衰减的影响。(2)时域有限差分法适用范围较广,但需较大的计算内存资源量,分析巷道弯曲、起伏、断面形状不规则等因素对矿井无线传输衰减的影响时,误差较大。(3)有限元法适用范围最广,可以采用四面体网格,相比于时域有限差分法中使用的六面体网格,可以更好地拟合不规则结构巷道,但所需计算内存资源量最大,现有高档服务器内存容量难以满足需求,适用于小断面、短距离、低频率煤矿井下无线传输分析。(4)射线追踪法具有算法简单、所需计算内存资源量最小等优点,但适用范围小,仅适用于分析高频段无线工作频率、断面形状、围岩介质、巷道弯曲等因素对矿井无线传输衰减的影响,不能分析...     

基于CC2530的矿用无线顶板压力传感器的设计

针对有线顶板压力传感器存在传输线易被砸断、维护困难等问题,提出了一种基于CC2530的矿用无线顶板压力传感器的设计方案,介绍了该传感器的硬件组成和工作流程。该传感器可对采集到的压力变送器数据经处理后通过天线传输至无线监测分站,方便地完成煤矿井下综采工作面液压支架和单体支柱的监测。测试结果表明,该传感器的无线发射功率高,接收灵敏度好,信号调制质量良好。     

金属振子结构在矿井5G辐射场中的安全功率分析

煤矿井下存在瓦斯等易燃易爆气体,5G无线通信系统基站天线辐射出的电磁波被井下金属结构吸收,在金属结构断点处产生放电火花,当电火花能量达到瓦斯气体的最小点火能时可能发生爆炸,限制了5G技术在煤矿井下的应用。为了评估5G无线通信基站射频功率的安全性,通过分析金属结构耦合电磁波的方式,得到射频功率、最大辐射场强与距离的关系;以最小点火能为安全判定标准,得出天线负载的接收功率小于2.625 W时,可确保不会引起瓦斯爆炸;分析得出煤矿井下应优先选择700 MHz作为5G工作频段;通过分析方向性系数,得出应选择臂长与波长比为0.65的对称振子天线金属结构进行研究,对称振子天线金属结构安全电场强度为202.9 V/m,最小安全距离为0.2 m。仿真结果表明：在距离发射天线小于0.2 m的区域电场分布极不均匀,在距离发射天线大于0.2 m的区域电场分布较均匀;在距离发射天线大于0.2 m的区域导致瓦斯爆炸的最小射频功率为27.45 W。     

用于井下电磁能量收集的功率传输模型

为了将电磁能量收集技术应用到煤矿井下,采用实验测量和统计分析的方法对电磁能量收集的功率传输特性进行了研究,建立了微波在巷道中路径损耗的一般表达式;提出了一种用于井下巷道的功率传输模型,有效解决矩形、拱形巷道内近距离电磁能量传输效率的计算问题。仿真和实验分析证明了该模型的正确性,同时表明,功率衰减受路径衰减指数的影响较大,提升发射功率不是提升充电效果的最佳选择,在实际应用中,为了获得最佳接收功率,应根据接收机所处位置合理选取天线极化方式。     

煤矿5G通信系统安全技术要求和检验方法

用于煤矿井下的5G通信系统必须取得安全标志证书。为更好地推动煤矿智能化建设和煤矿5G技术发展,让送审企业提前熟悉煤矿5G通信系统技术要求和检验要求,缩短送审周期,研究了煤矿5G通信系统安全技术要求和检验方法。从基本要求、组网要求、5G通信技术要求、防爆安全要求、抗干扰要求等方面论述了煤矿5G通信系统安全技术要求,并针对需重点关注的问题提出相关建议。针对煤矿5G通信系统,重点关注系统组网方式判别、核心网检验、抗干扰性能检验;针对5G基站和终端,重点关注5G技术指标的检验和防爆安全要求。对煤矿5G通信系统管理问题、5G基站多天线功率叠加后阈功率的计算问题、抗干扰技术难点、传输速率和时延的技术要求和检验方法、天线一体化基站的检验、矿用5G上下行带宽存在的问题进行了探讨。     

本质安全型无线压力传感器天线设计

提出了一种煤矿井下本质安全型无线压力传感器天线结构的设计方案,研究了金属外壳一侧开口时其参数及天线位置对天线增益的影响。仿真与实测结果表明,天线增益随金属外壳的开口长度和宽度的增大而增加,且增加幅度逐渐减小;天线增益随天线距开口的距离减少而增加;开口侧的金属外壳厚度每减少1mm,天线增益增加约2dB;金属外壳空间高度毫米级变化引起的天线增益变化基本可以忽略;当金属外壳的开口长度和宽度分别为天线波长的1/4与1/8,厚度为2mm,空间高度为41mm,天线位置距开口为1.4mm时,天线辐射增益达到最佳,天线的传播距离约为14m。     

矿井宽带无线传输技术研究

提出了矿井宽带无线传输技术是解决采掘工作面移动监控、监视和语音通信需求的关键技术。提出了矿井宽带无线传输应满足传输带宽宽、便于接入有线宽带网络、中继设备少、体积小、发射功率小、电磁兼容性好、安全性好、传输协议标准化、电源电压波动适应能力强等要求。提出了漏泄通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下局部通信等;感应通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下救灾通信等;透地通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下避难硐室等应急通信;小灵通、CDMA、GSM、Bluetooth不能用作矿井宽带无线传输技术;RFID不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿物联网、矿用设备管理和防碰撞等;ZigBee不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下人员、胶轮车、电机车等动目标精确定位和矿用传感器无线传输等;UWB不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下生命探测、防碰撞、煤矿井下人员和胶轮车等动目标精确定位等;WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等3G不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下语音移动通信等。提出了矿井宽带无线传输技术宜采用WiFi,4G有可能成为未来矿井宽带无线传输技术。     

5G通信技术及其在煤矿的应用构想

近年来我国煤矿无线通信系统首选WiFi和4G通信技术,随着煤矿智能化建设的发展,现阶段煤矿无线通信系统的性能已无法满足煤矿智能化发展的各项需求。对比前几代移动通信技术,阐述了第五代移动通信技术(5G)关键技术及其性能优势;给出了矿用5G无线通信系统的组成及组网方式;结合5G通信技术特点和煤矿智能化发展需求,提出了5G通信技术在煤矿的应用场景,如井下无人驾驶及智能运输、全矿井位置服务、设备远程操控、故障远程诊断、大宽带业务数据传输、煤矿机器人云端控制、全矿井安全监测信息采集、虚拟现实/增强现实矿山等;指出针对煤炭行业的5G技术应用场景还需不断挖掘和完善,且由于5G网络对承载网要求较高,煤矿应预估部署成本,结合自身发展状况和需求搭建矿井5G通信网络。     

矿用TD-SCDMA无线通信系统在绿水洞煤矿的应用

详细地介绍了矿用TD-SCDMA无线通信系统的方案选型、系统组成及功能特点,阐述了矿用TD-SCDMA无线通信系统在绿水洞煤矿的应用情况。应用结果表明,该系统性能稳定可靠,容量大,通话效果好,基站覆盖范围大,可较好地满足煤矿井下移动通信的需求。     

煤矿井下有线宽带信息传输研究

指出要实现煤矿井下固定岗位无人值守、综采和综放等采煤工作面少人作业,应装备具有地面远程控制功能的煤矿监控系统、监视系统、矿用调度通信系统和矿井移动通信系统等;提出矿井信息传输系统应满足传输带宽宽、有线与无线相结合、抗故障能力强、传输距离远、可靠性高、标准化、安全性好等要求;在分析星型、环型、树型和总线型等煤矿井下有线传输网络结构优缺点的基础上,提出了双巷双缆、单巷双缆、单缆双树冗余结构,认为理想的煤矿井下有线传输网络应采用双巷双缆或单巷双缆双树冗余结构;提出煤矿井下有线宽带传输应采用基于无源光网络的矿用以太网或基于有源光网络的矿用以太网的观点,并提出了这两种矿用以太网的主要性能与技术指标要求。     

认知无线电技术在煤矿井下的应用研究

针对现有煤矿井下无线通信系统载频和调制方式等参数固定、无法适应巷道信道模型变化而导致通信可靠性低的问题,提出了在煤矿井下无线通信系统中应用认知无线电技术的方案,即利用认知无线电技术感知通信系统所处巷道的频谱和信道模型,实时、自适应地调整载频、调制方式等传输参数的特点,从而优化煤矿井下无线通信网络的传输性能;综合分析了认知无线电在煤矿井下应用的可行性;最后给出了认知无线电在煤矿井下应用的实现模式。     

煤矿井下无线通信技术的现状与发展

分析了小灵通无线通信技术、WiFi无线通信技术、TD-SCDMA无线通信技术、WCDMA无线通信技术以及Femtocell无线通信技术在煤矿的应用现状;针对煤矿井下的环境特点,提出了一种基于Femtocell的矿用WCDMA无线通信系统,详细介绍了系统的关键技术及优势;总结了矿用无线通信技术的发展趋势。     

矿井提升机自适应无线通信系统设计

目前,矿井提升机有线通信系统布线繁琐、检修复杂,而无线通信系统因发射功率、频率和天线辐射方向固定,存在无线通信距离有限、信号无法根据井筒形状和长度灵活覆盖、通信信号不稳定等弊端。针对上述问题,设计了一种矿井提升机自适应无线通信系统。该系统所有设备的数据均通过以太网接口输入,无线通信部分采用接收信号强度自动感知、工作频率和辐射波束自动调整的自适应天线,可以将无线摄像仪、无线电话等矿用设备进行无线互连,实现提升机、罐耳、油缸、钢丝绳及天轮等主要设施的视频监视、数据监测及语音通信。当提升机运行时,系统根据立井井筒的结构、深度与尺寸,自动调整位于井筒顶部的天线的工作参数,使得天线能够始终对准移动中的提升机,通信设备的工作频率和功率始终处于最佳状态,保证了无线信号的良好覆盖。现场应用结果表明,提升机运行时地面调度人员能够实时监视天轮、井筒、罐耳及提升机内部状况,可随时与提升机内人员通话,图像清晰,语音通信流畅,且设备功耗低。     

变换域通信系统在煤矿井下的应用研究

针对煤矿井下复杂的电磁环境以及现有矿用无线通信系统抗干扰能力差的问题,分析了变换域通信系统应用于煤矿井下的可行性,提出了矿井变换域通信系统发射机和接收机的设计方案,并模拟井下电磁环境对矿井变换域通信系统的功率谱、阈值比较后的功率谱、调制波形和误码率进行了仿真分析。分析结果表明,该系统具有较好的抗干扰和抗噪声特性及较低的误码率,可在复杂的电磁场环境中有效地通信。     

现代化矿井通信技术与系统

提出了由矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统和矿井救灾通信系统等组成的煤矿井下通信技术体系。提出矿用调度通信系统应采用矿用有线调度通信系统。提出全矿井移动通信系统宜采用WiFi、3G、4G等通信技术。提出矿井广播通信系统既可采用矿用有线调度通信系统远程供电广播技术,也可采用基于以太环网和无源光网络的IP通信技术。提出矿井救灾通信系统应采用无线多媒体通信技术,宜采用WiFi和MESH等通信技术。提出矿井移动通信系统应满足手机脱网通信、基站脱网通信、无线自组织网络、接入煤矿井下有线宽带传输平台等要求。指出在手机脱网通信、接入煤矿井下有线宽带传输平台、无线自组织网络、矿用无线摄像机、基站脱网通信、多功能矿井移动通信系统、矿井无线宽带传输等方面,WiFi优于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。提出多功能矿井移动通信系统和矿井无线宽带传输宜采用WiFi。